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Main Title: Entscheidungsunterstützung zur Auswahl von Verfahren der Trinkwasseraufbereitung an den Beispielen Arsenentfernung und zentrale Enthärtung
Translated Title: Decision support for the choice of drinking water treatment processes exemplified by arsenic removal and centralized water softening
Author(s): Ruhland, Alexander
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Planung von Maßnahmen der Wasseraufbereitung beinhaltet häufig die Aufgabe, aus einer Reihe verschiedener Verfahrenskonzepte die optimale Alternative auszuwählen. Eine eindeutige Bewertung ist jedoch schwierig, wenn mehrere Kriterien zu berücksichtigen sind und verschiedene Ziele zueinander in Konflikt stehen. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Entscheidungsunterstützung bei der Auswahl von Verfahren der Trinkwasseraufbereitung. Nach Anpassung und Erweiterung von Entscheidungsmodellen, die auf der Nutzwertanalyse sowie dem Outrankingverfahren PROMETHEE beruhen, werden diese an Fallbeispielen zur Arsenentfernung und zur zentralen Enthärtung erprobt. Die Nutzwertanalyse eignet sich dabei besonders für Entscheidungsprobleme, bei denen bekannte funktionale Zusammenhänge oder normative Vorgaben für die Bewertung genutzt werden können. Die Vorzüge von PROMETHEE liegen in der separaten Auswertung der Stärken und Schwächen von Alternativen und in der Möglichkeit, Präferenzschwellenwerte festzulegen. Diese Eigenschaften können jedoch zu Rangumkehrungen und zur Verletzung des Transitivitätsgesetztes führen. Für die Gewichtung wird ein praxisorientiertes Verfahren vorgeschlagen, das auf der Vergabe von Punktwerten für Kriterien hinsichtlich für die Wasseraufbereitung fundamentaler Ziele basiert. In den Fallbeispielen wird für diese Ziele jeweils ein Katalog von Bewertungskriterien erarbeitet. Ferner wird eine Sensitivitätsanalyse vorgeschlagen, die den Einfluss der zum Teil auf subjektiven Werturteilen beruhenden Gewichtungsfaktoren auf das Bewertungsergebnis offen legt. Für das Fallbeispiel zur Arsenentfernung werden Flockungsverfahren mit Eisen(III)- und Eisen(II)-Salzen sowie Varianten der Adsorption an granuliertem Eisenhydroxid untersucht. Als wesentliche Stärken der Adsorptionsverfahren gegenüber den Flockungsverfahren erweisen sich der geringe Betreuungsaufwand sowie die einfache und sichere Betriebsweise. Der Vorteil der Flockungsverfahren liegt vor allem in der niedrigeren im Trinkwasser verbleibenden Arsenkonzentration. Die Kosten der Verfahren hängen maßgeblich davon ab, ob die Betreuung durch vorhandenes Personal übernommen werden kann, oder ob zusätzliches Personal erforderlich ist. Als Alternativen der zentralen Trinkwasserenthärtung sind die Schnell- und Langsamentcarbonisierung, das CARIX-Verfahren sowie zwei Varianten der Nanofiltration berücksichtigt, die hinsichtlich vier verschiedener Rohwassertypen bei einer Aufbereitungskapazität von 5.000.000 cmb pro Jahr ausgewertet werden. Bei erdalkalisch-hydrogencarbonatischen Rohwassertypen fällt die Bewertung zu Gunsten der klassischen Fällungsverfahren aus. Dies ist auf eine im Vergleich zu den Entsalzungsverfahren CARIX und Nanofiltration günstigere Trinkwasserzusammensetzung und auf unter den gegebenen Bedingungen geringere Kosten zurückzuführen. Bei erdalkalisch-sulfatischen Rohwassertypen überwiegen die Vorzüge des CARIX-Verfahrens, die primär in dem geringen Betreuungsaufwand und dem niedrigeren Korrosionsindex S1 liegen. In allen Fallbeispielen wird die ökologische Bedeutung wasserchemischer Parameter gegenüber Kennzahlen, die indirekte, vornehmlich vom Energie- und Chemikalienbedarf geprägte Wirkungen repräsentieren, als wichtiger eingeschätzt. Dies beruht unter anderem darauf, dass die durch wasserchemische Parameter verursachten Kupfer- und Zinkemissionen rein quantitativ zum Teil weit mehr als das 100-fache der auf den Energie- und Chemikalienbedarf zurückgeführten Kohlenstoff- und Schwefeldioxid-Äquivalentfrachten betragen, bezogen auf die durchschnittlichen jährlichen Emissionen eines Einwohners in Deutschland.
Planning measures for water treatment often involves the task of identifying the optimal alternative out of a number of different concepts. However, a clear evaluation is difficult if several criteria and conflicting goals are to be considered. This work contributes to decision support in the context of evaluating water treatment processes. After adapting and supplementing decision models based on additive weighting methods and the outranking method PROMETHEE, they are tested by case studies of arsenic removal and centralized water softening. Additive weighting methods, derived from the multi attribute value theory (MAVT), are especially suitable for decision problems where known functional relations can be used for evaluation. The advantages of PROMETHEE are the separate analysis of strengths and weaknesses as well as the possibility to define different preference levels. However, those properties may lead to rank reversals and to a violation of transitivity. For the weighting step a pragmatic scoring procedure is developed. Further, a sensitivity analysis is proposed that reveals the influence of the partly subjective weighting factors on the results. Within each case study a catalogue of evaluation criteria is developed with respect to fundamental goals of water treatment. In the case study of arsenic removal, flocculation after dosing of ferric chloride and ferrous sufate as well as two variants of adsorption processes on granular ferric hydroxide are analyzed. Advantages of the adsorption processes are the low maintenance demand and the simple and safe operation. The strengths of the flocculation processes are especially the lower arsenic concentration after treatment. The treatment costs depend strongly on the question whether additional staff is needed for operation and maintenance. Therefore adsorption processes, that generally have a low personnel demand, are favorable in particular for small plants without permanent staff on site. For centralized drinking water softening classical lime softening, pellet softening, carbon dioxide regenerated ion exchange (CARIX) and two variants of nanofiltration are considered. Those alternatives are evaluated with regard to four different types of Groundwater at a capacity of 5.000.000 cbm per year. With calcium hydrogencarbonate rich waters the classical precipitation processes are preferred. Compared to ion exchange and nanofiltration this is attributed to a more favorable drinking water composition and to lower costs under the given conditions. With sulfate rich waters, the advantages of the CARIX-process prevail, which is mainly due to the low maintenance demand and a smaller local pitting corrosion index. In all case studies the ecological relevance of drinking water compounds or related parameters is ranked clearly higher compared to indicators representing indirect environmental impacts depending on the demand of energy and chemicals.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8301
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1227
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-930
Exam Date: 22-Sep-2004
Issue Date: 26-Oct-2004
Date Available: 26-Oct-2004
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Arsenentfernung
Multikriterielle Entscheidungsunterstützung
Nutzwertanalyse
PROM
Trinkwasseraufbereitung
Verfahrensauswahl
Zentrale Enthärtung
Additive weighting
Arsenic removal
Centralised water softening
Drinking water treatment
Multi criteria decision making
Process selection
PROMETH
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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